DE19822395A1 - Sektorstrahler - Google Patents

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist die Konfigurierung einer extrem miniaturisierten und in erste Linie flächenhaft ausgedehnten Antennenkomponente mit der Eigenschaft der Erzeugbarkeit einer linear polarisierten und räumlich gerichteten Sektorstrahlung sowohl in der Azimutal- als auch in der Elevationsebene sowie einer ausgeprägten Rückstrahlungsdämpfung und damit einer Nutzstrahlung ausschließlich innerhalb einer Raumhemisphäre, vorzugsweise für Mobilfunkanwendungen. DOLLAR A Die erfinderische Lösung beruht hierbei auf einen breitbandig angepaßten sowie unsymmetrischen Wellenleiterresonator in Microstriptechnik. DOLLAR A Deskriptoren: DOLLAR A Linearstrahler, Monopol, Planarantenne, Planarstrahler, Resonanzstrahler, Strahlungsdiagramm, Richtfaktor, Wirkungsgrad, Wellenleitung, Wellenimpedanz, Widerstand, Wellenleiterresonator, Blende, Strahlungsdiagramm, Polarisation.

Description

Ziel der Erfindung:

Das Ziel der Erfindung besteht in der Konfigurierung einer extrem miniaturisier­ ten und in erster Linie flächenhaft ausgedehnten Antennenkomponente mit der Eigenschaft der Erzeugbarkeit einer linear polarisierten und gerichteten Sektor­ strahlung sowohl in der Azimutal- als auch in der Elevationsebene vorzugsweise in den Spektralbereichen zwischen 890 MHz und 960 MHz sowie zwischen 1710 MHz und 1890 MHz. Weiterhin besteht das Ziel der Erfindung in der Ent­ wicklung einer planaren Strahleranordnung mit einer ausgeprägten Rück­ strahlungsdämpfung und damit einer Nutzstrahlung ausschließlich innerhalb einer Raumhemisphäre, so daß insbesondere für den Bereich der portablen und mobilen Anwendungen eine gerichtet strahlende und geometrisch miniaturisierte An­ tennenkomponente entsteht, die eine Überbrückung mittlerer Entfernungen zuläßt bzw. einen eventuell gegebenen Unterversorgungsgrad des Funkraumes bzw. -ge­ bietes kompensiert und darüber hinausgehend die elektromagnetische Strahlungs­ belastung des Nutzers gegenüber bekannten Antennenlösungen für diesen Bereich zu minimieren. Im weiteren verfolgt die Erfindung das Ziel der unmittelbaren Montagemöglichkeit des Planarstrahlers auf beliebigen Objektträgern bzw. mittels beliebiger oder universell verfügbarer Träger bzw. Befestigungsmittel. Das Ziel der Erfindung besteht weiterhin darin, die für die Konfigurierung des Planarstrahlers erforderlichen dielektrischen Strukturträger durch Verwendung ausschließlich elektrisch leitfähiger und selbsttragender dünner Platten, vorzugs­ weise metallischer Platten oder Folien, zu ersetzen und die durch die Verwen­ dung dielektrischer Basismaterialien mit einer vom evakuierten Raum abwei­ chenden Dielektrizitätszahl bedingte geometrische Verkürzung mittels verteilter kapazitiver und verlustminimaler Strukturelemente zu erwirken.

Darüber hinausgehend besteht das erfindungsgemäße Ziel in der Erhöhung der spektralen Bandbreite gegenüber den unter Verwendung dielektrischer Basis­ materialien mit einer vom evakuierten Raum abweichenden Dielektrizitätszahl konfigurierbaren und bekannten Lösungen sowie in der Optimierung der techno­ logischen und aufwandsseitigen Basis.

Anwendungsgebiet der Erfindung

Das Anwendungsgebiet der Erfindung bezieht sich vordergründig auf den Mobil­ funkbereich innerhalb des GSM-Netzes sowie des DCS-Netzes. Hierbei bildet der Planarstrahler eine optionale Antennenkomponente bzw. Ersatzkomponente räumlich ausgedehnter Gewinnantennen mit der Montagemöglichkeit sowohl im Freiraum als auch im Innenraum stationärer und mobiler Objekte. Weitergehend bezieht sich der Anwendungsbereich auf allgemeine Innenraumanwendungen, in­ dem die Strahlerkomponente eine räumlich abgesetzte Komponente vom jewei­ ligen Endgerät bildet.

Die Strahlerkomponente ist vorteilhaft in den Fällen anwendbar, in denen der rückwärtig zur Antennenapertur gelegene Raum strahlungsfrei bzw. strahlungs­ arm gehalten und damit die elektromagnetische Strahlungsbelastung des Nutzers minimiert werden soll. Darüber hinausgehend bildet die erfindungsgemäße Strahlerkomponente ein Basismodul für Kurz- oder Mittelstreckenübertragungs­ systeme für kommunikations-, sensor- oder sicherheitstechnische Anwendungen.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Bekannte Antennenlösungen für den Bereich der Mobilfunkanwendungen be­ ruhen auf Linearantennenkonzeptionen in Form von Monopol- oder Dipolan­ ordnungen in verkürzter oder unverkürzter Ausführung. Diese Linearantennen sind sowohl als extern montierbare Antennen als auch als unmittelbar mit dem Endgerät gekoppelte Komponenten bekannt sowie mit unterschiedlichem Richt­ faktor und Wirkungsgrad behaftet. Bekannte Flachantennenlösungen beruhen auf flächenhaft angeordneten, dipolähnlichen Konfigurationen bzw. flächenhaften Resonatoranordungen unter Verwendung elektrisch verkürzender Strukturträger, wobei die Geometrie für den Fall unverkürzter Anordnungen ausschließlich die Wellenlängenabhängigkeit widerspiegelt und somit eine Miniaturisierung aus­ schließt sowie die mittels der verwendeten dielektrischen Strukturträger in Ab­ hängigkeit vom Suszeptibilitätsprofil verkürzten Anordnungen mit der resul­ tierenden Reduzierung des Wirkungsgrades einhergehen. Gleichfalls bedingt die Verwendung dielektrischer Strukturträger die Erhöhung des Kosteneintrages. Bekannte Miniaturlösungen auf der Basis unsymmetrischer Wellenleiterresona­ toren in Microstriptechnik beruhen auf der Kombination leitfähiger Folien und dielektrischer Belastungselemente, wobei sich derartige Lösungen technologisch sehr aufwendig gestalten. Diese Kombinationslösungen sind darüber hinaus­ gehend mit dem Nachteil der spektralen Schmalbandigkeit behaftet.

Die elektrischen sowie Gebrauchseigenschaften bekannter Antennenlösungen schließen die Erlangung der Ziele der gegenständlichen Erfindung aus, so daß mit der gegenständlichen Erfindung die für die benannten Anwendungsfelder einsetz­ bare Technik gegenüber dem bekannten Stand der Technik erweitert wird.

Darstellung des Wesens der Erfindung

Die erfinderische Aufgabe besteht in der Konfigurierung einer extrem mini­ aturisierten und flächenhaften Strahlerkomponente mit der Eigenschaft der Erzeugbarkeit einer linear polarisierten und räumlich gerichteten Sektorstrahlung sowohl in der Azimutal- als auch in der Elevationsebene sowie einer ausge­ prägten Rückstrahlungsdämpfung und damit einer Nutzstrahlung ausschließlich innerhalb einer Raumhemisphäre vorzugsweise in den Spektralbereichen zwischen 890 MHz und 960 MHz bzw. 1710 MHz und 1890 MHz.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, indem zwei leitfähige Platten oder Folien (1), (2) in einem definierten Abstand flächenparallel zueinander ange­ ordnet werden, wobei die leitfähige Platte oder Folie (1) mit einer kreisförmigen, elliptischen, quadratischen, rechteckigen, dreieckigen, pentagonalen oder hexa­ gonalen, vorzugsweise kreisförmigen Berandung ausgebildet wird sowie die Funktion einer Massefläche erfüllt und die leitfähige Platte oder Folie (2) gleich­ falls mit einer kreisförmigen, elliptischen, quadratischen, rechteckigen, dreieck­ igen, pentagonalen oder hexagonalen, vorzugsweise einer durch das Komplement einer durch zwei gleiche oder ungleiche, vorzugsweise gleiche, gegenüberliegen­ de Kreisabschnittsflächen reduzierten Kreisfläche bestimmten Berandung ausge­ bildet wird.

Erfindungsgemäß wird die Platte oder Folie (2) parallel zur Platte oder Folie (1) derartig angeordnet, daß die Symmetriepunkte der beiden Platten oder Folien (1), (2) deckungsgleich übereinander positioniert sind.

Die Anregung bzw. Speisung der elektromagnetisch resonant schwingenden An­ ordnung erfolgt mittels einer koaxialen Wellenleitung, indem der Innenleiter des koaxialen Wellenleiters leitfähig mit der Platte oder Folie (2) verbunden und der Außenleiter des koaxialen Wellenleiters leitfähig mit der Platte oder Folie (1) ver­ bunden wird. Der Innenleiter (4) des koaxialen Wellenleiters wird durch eine elektromagnetische Blende (5), die als kreisförmige Öffnung innerhalb der Platte oder Folie (1) ausgeführt und in einer rechtwinklig zur Linie (3) verlaufenden Achse positioniert ist, axialsymmetrisch zur Blendenberandung und ohne galva­ nische Verbindung zu dieser geführt, wobei zur Gewährleistung der Axialsymme­ trie der Innenleiter über der Länge der Distanz zwischen den Platten (1) und (2) mit einer dielektrischen Buchse (6), deren Außendurchmesser dem Blendendurch­ messer und deren Innendurchmesser dem Durchmesser des Innenleiters des ko­ axialen Wellenleiters angemessen ist, umschlossen wird. Hierbei wird der Blen­ dendurchmesser impedanzrichtig gewählt, wobei die Eingangsimpedanz durch den Ort der Ein- bzw. Auskopplung (7) innerhalb der Fläche der Platte oder Folie (2) bestimmt ist bzw. festgelegt wird.

Zwischen den Platten oder Folien (1) und (2) wird der Innenleiter des koaxialen Wellenleiters mit einer leitfähigen Buchse (14) definierter Höhe und Durch­ messerrelation umschlossen, wobei die leitfähige Buchse (14) einseitig mit der Platte oder Folie (1) leitfähig verbunden und im Innenraum dielektrisch über der gesamten Höhe der leitfähigen Buchse gefüllt sowie mit einem den Abstand der Platten oder Folien (1), (2) unterschreitenden Höhenmaß ausgeführt ist. Hierbei dient die Einführung der leitfähigen und dielektrisch gefüllten Buchse (14) der Kompensation induktiver Komponenten der Ein- bzw. Auskopplung, wobei der Kompensationsgrad mittels der Buchsenlänge sowie der Dicke der Buchsen­ wandung bestimmt wird.

Auf einer rechtwinklig zur Linie (3) verlaufenden Achse, vorzugsweise einer Symmetrielinie der Anordnung, die identisch der den Ort der Ein- bzw. Auskopp­ lung (7) schneidenden Achse ist, werden in einer definierten Distanz zum Symmetriepunkt der leitfähigen Platte oder Folie (2) sowie zum Ort der Ein- bzw. Auskopplung (7) eine leitfähige Verbindung (8), vorzugsweise eine leitfähige Stift-, Niet- oder Schraubverbindung und/oder ein oder mehrere ohmsche Wider­ standselemente, vorzugsweise ein ohmsches Widerstandselement (9) mit defi­ niertem, vorzugsweise niederohmigem, Widerstandsverhalten zwischen den leit­ fähigen Platten oder Folien (1), (2) positioniert, wobei die beiden Kopplungsele­ mente (8), (9) jeweils in unterschiedlichen Distanzen zum Symmetriepunkt der leitfähigen Platte oder Folie (2) angeordnet werden. Auf einer rechtwinklig zur Linie (3) verlaufenden Achse, vorzugsweise einer Symmetrielinie der Anordnung, die rechtwinklig zur der den Ort der Ein- bzw. Auskopplung (7) schneidenden Achse verläuft, werden in gleichen oder ungleichen Distanzen zum Symmetrie­ punkt der leitfähigen Platte oder Folie (2) beiderseitig jeweils eine oder mehrere leitfähige Verbindungen, vorzugsweise jeweils eine leitfähige Verbindung (10), (11), vorzugsweise leitfähige Stift-, Niet- oder Schraubverbindungen, und/oder jeweils ein oder mehrere ohmsche Widerstandselemente, vorzugsweise jeweils ein ohmsches Widerstandselement (12), (13) mit definiertem, vorzugs­ weise niederohmigem, Widerstandsverhalten zwischen den leitfähigen Platten oder Folien (1), (2) positioniert.

Erfindungsgemäß lassen sich die leitfähigen Verbindungen (8), (10), (11) sowie die Widerstandselemente (9), (12), (13) durch jeweils ein Kopplungselement (8/9), (10/12), (11/13) ersetzen, wobei die Kopplungselemente das resultierende elektromagnetische Verhalten der jeweils verteilt positionierten leitfähigen und Widerstandselemente unter Berücksichtigung der Ortsabhängigkeit des Kopp­ lungsverhaltens der leitfähigen bzw. Widerstandselemente nachbilden.

Die Anordnung wird geometrieseitig für den Resonanzfall dimensioniert, wobei die der Apertur vorgeordnete dielektrische Container- oder Montageebene bzw. dielektrische Container- oder Montageschicht, die hierbei durch die entsprechen­ de Strahlercontainerung oder auch anderweitige dielektrische Körperebenen ver­ gegenständlicht wird, in ihrer elektromagnetischen, primär kapazitiven Wirkung mittels einer induktiven Verstimmung der dielektrischen Störung äquivalenten Grades berücksichtigt wird.

Ausführungsbeispiel

Die gegenständliche Erfindung soll mittels eines Ausführungsbeispiels für den Frequenzbereich zwischen 890 MHz und 960 MHz näher erläutert werden.

Gemäß der Abb. 1 wird eine leitfähige metallische Platte (1) mit kreis­ förmiger Berandung und dem Durchmesser von 146 mm über eine lichte Distanz von 16 mm mit einer zweiten leitfähigen metallischen Platte (2), deren Fläche dem Komplement einer durch zwei gleiche gegenüberliegende Kreisabschnitts­ flächen reduzierten Kreisfläche entspricht, flächenparallel gekoppelt, wobei der Mittelpunkt der kreisförmigen Platte (1) sowie der Schnittpunkt der Symmetrie­ linien der leitfähigen Platte (2) deckungsgleich übereinander positioniert bzw. auf einer identischen Achse angeordnet werden. Die elektromagnetische Anregung der Anordung erfolgt über einen koaxialen Wellenleiter, indem der Innenleiter (4) des koppelnden koaxialen Wellenleiters galvanisch mit der leitfähigen Platte (2) und der Außenleiter des koaxialen Wellenleiters mit der leitfähigen Platte oder Folie (2) verbunden werden. Hierbei wird der Innenleiter (4) des koaxialen Wellenleiters durch eine elektromagnetische Blende (5), die als kreisförmige Öffnung innerhalb der Platte oder Folie (1) ausgeführt und in einer rechtwinklig zur Linie (3) verlaufenden Achse positioniert ist, axialsymmetrisch zur Blenden­ berandung sowie ohne galvanische Verbindung mit dieser geführt, wobei die Axialsymmetrie des Innenleiters über der Länge der Distanz zwischen den Platten (1) und (2) mit einer dielektrischen Buchse (6), deren Außendurchmesser dem Blendendurchmesser und deren Innendurchmesser dem Durchmesser des Innen­ leiters des koaxialen Wellenleiters angepaßt ist, umschlossen wird. Hierbei wird der Blendendurchmesser impedanzrichtig gewählt, wobei die Eingangsimpedanz durch den Ort der Ein- bzw. Auskopplung (7) innerhalb der Fläche der leitfähigen Platte oder Folie (2) bestimmt bzw. festgelegt wird.

Auf der den Ort der Ein- bzw. Auskopplung (7) schneidenden Symmetrielinie wird in einem Abstand von 45 mm zum Symmetriepunkt der leitfähigen Platte oder Folie (2) eine leitfähige Verbindung (8) in Form einer Stiftverbindung, be­ stehend aus Messing oder Kupfer, mit einem Durchmesser von 12 mm zwischen den leitfähigen Platten oder Folien (1), (2) positioniert. Auf der recht­ winklig zur Linie (3) verlaufenden bzw. rechtwinklig zu der den Ort der Ein- bzw. Auskopplung (7) schneidenden Symmetrielinie der leitfähigen Platte oder Folie (2) werden in einem Abstand von 35 mm zum Symmetriepunkt der leit­ fähigen Platte oder Folie (2) sowie gegensinnig in einem Abstand von 60 mm zum Symmetriepunkt der leitfähigen Platte oder Folie (2) jeweils eine leitfähige Ver­ bindung (10), (11) in Form j eweils einer Stiftverbindung gemäß der Abb. 2, bestehend aus Kupfer oder Messing, mit einem Durchmesser von 8 mm zwischen den leitfähigen Platten oder Folien (1), (2) positioniert.

Claims (2)

1. Sektorstrahler, bestehend aus einer Anordnung geometrisch definierter und leitfähiger Schichten, dadurch gekennzeichnet, daß

• 1. zwei leitfähige Platten oder Folien (1), (2) in einem definierten Abstand flächen­ parallel zueinander angeordnet werden, indem eine leitfähige Platte oder Folie (1) mit einer kreisförmigen, elliptischen, quadratischen, rechteckigen, dreieckigen, pentagonalen oder hexagonalen, vorzugsweise kreisförmigen Berandung ausge­ bildet wird und die leitfähige Platte oder Folie (2) gleichfalls mit einer kreisför­ migen, elliptischen, quadratischen, rechteckigen, dreieckigen, pentagonalen oder hexagonalen, vorzugsweise einer durch das Komplement einer durch zwei gleiche oder ungleiche, vorzugsweise gleiche, gegenüberliegende Kreisabschnittsflächen reduzierten Kreisfläche bestimmten Berandung ausgebildet wird;
• 2. die leitfähigen Platten oder Folien (1), (2) in definierten Abständen vom Symmetriepunkt der leitfähigen Platte oder Folie (2) mittels leitfähiger Verbin­ dungen (8), (10), (11) vorzugsweise Stift-, Schraub- oder Nietverbindungen, punktuell verbunden werden, wobei die Positionierung der leitfähigen Verbin­ dungen vorzugsweise entlang der beiden orthogonal verlaufenden Symmetrie­ linien der leitfähigen Platte oder Folie (2) erfolgt;
• 3. die leitfähigen Platten oder Folien (1), (2) in definierten Abständen vom Symmetriepunkt der leitfähigen Platte oder Folie (2) mittels einer oder mehrerer Widerstandselemente (9), (12), (13), vorzugsweise ohmscher Widerstandsele­ mente mit vorzugsweise niederohmigem Widerstandsverhalten, punktuell ge­ koppelt werden, wobei die Positionierung der Widerstandselemente vorzugsweise entlang der beiden orthogonal verlaufenden Symmetrielinien der leitfähigen Platte oder Folie (2) und in unmittelbarer Umgebung der leitfähigen Verbindungen erfolgt;
• 4. die Signalein- bzw. -auskopplung mittels einer koaxialen Wellenleitung erfolgt, indem der Innenleiter des koaxialen Wellenleiters leitfähig mit der Platte oder Folie (2) und der Außenleiter des koaxialen Wellenleiters leitfähig mit der Platte oder Folie (1) verbunden wird, wobei der Innenleiter (4) des koaxialen Wellenlei­ ters durch eine elektromagnetische Blende (5), die als kreisförmige Öffnung innerhalb der Platte oder Folie (1) ausgeführt und in einer rechtwinklig zur Linie (3) verlaufenden Achse positioniert ist, axialsymmetrisch zur Blendenberandung und ohne galvanische Kopplung zu dieser geführt wird und zur Gewährleistung der Axialsymmetrie der Innenleiter über der Länge der Distanz zwischen den leit­ fähigen Platten (1) und (2) mit einer dielektrischen Buchse (6), deren Außen­ durchmesser dem Blendendurchmesser und deren Innenleiter dem Durchmesser des Innenleiters des koaxialen Wellenleiters angepaßt ist, umschlossen wird;
• 5. die dielektrische Buchse (6) mittels einer leitfähigen zweiten Buchse (14) um­ schlossen wird, die einseitig mit der leitfähigen Platte oder Folie (1) galvanisch verbunden wird und in ihrer Länge kleiner als die Distanz zwischen der ersten leitfähigen Platte oder Folie (1) und der zweiten leitfähigen Platte oder Folie (2) bemessen wird.

2. Sektorstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähigen Verbindungen (8), (10), (11) sowie die Widerstandselemente (9), (12), (13) durch jeweils ein Kopplungselement (8/9), (10/12), (11/13) ersetzt werden, wobei die Kopplungslelemente das resultierende elektromagnetische Verhalten der jeweils verteilt positionierten leitfähigen und Widerstandselemente unter Berücksich­ tigung der Ortsabhängigkeit des Kopplungsverhaltens der leitfähigen bzw. Wider­ standselemente nachbilden.